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Die Erfindung betrifft eine Röntgenröhre gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Eine derartige Röntgenröhre umfasst ein Vakuumgehäuse, in dem zumindest eine Kathode und eine Anode über jeweils wenigstens ein Isolationselement isoliert angeordnet sind, wobei die Kathode (Flachemitter, Glühwendel) beim Anlegen einer Hochspannung Elektronen emittiert, die als Elektronenstrahl auf der Anode auftreffen.
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Der Elektronenstrahl wird zur Anode hin beschleunigt und trifft auf die Oberfläche der Anode auf. Im Anodenmaterial wird dadurch Röntgenstrahlung erzeugt, die als Röntgennutzstrahlung aus einem Röntgenstrahlenaustrittsfenster aus dem Vakuumgehäuse austritt und beispielsweise für Bildgebungsverfahren auf medizinischen oder nicht-medizinischen Gebieten einsetzbar ist.
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Insbesondere bei rotierenden Anoden (Drehanoden-Röntgenröhren oder Drehkolben-Röntgenröhren) muss die Rotation der Anode ausgeglichen werden. Dies wird mittels Ablenkelektroden vorgenommen. Hierbei werden auch bei einem kleinen Bauraum besonders gute Fokussierungen des Elektronenstrahls mit Ablenkelektroden erzielt, die sehr nah an der Kathode angeordnet sind (z.B. am Fokuskopf) und die variable Ablenkspannungen auf die Kathodenspannung aufbringen und halten können. Derartige Ablenkelektroden müssen isoliert zur Kathode, beispielsweise isoliert zum Fokuskopf, angeordnet sein. Die hierfür notwendigen Isolationselemente sind beispielsweise als Glas oder Keramik-Durchführungen ausgeführt, weisen jedoch einen Bezug zur Kathodenspannung (HV-Potential der Kathode) auf.
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Aufgrund des im Bereich der Kathode zur Verfügung stehenden Bauraums kann die Baugröße der Isolationselemente nur für den Normalbetrieb ausgelegt werden und ist in diesem Fall auch unproblematisch.
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Im Fall eines technisch unvermeidbaren "Arcings" stellt sich ein Potentialabfall ein, von dem im beschriebenen Beispiel die Kathode betroffen ist. Mit dem Begriff "Arcing" werden Spannungsüberschläge und Spannungsdurchschläge (Toleranzbereich der Nennspannung wird überschritten) bezeichnet, die transient, also zufällig und damit zeitlich nicht vorhersehbar, auftreten.
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Zeitlich aufgelöst werden durch den vorgenannten Potentialabfall das Potential wenigstens einer der Ablenkelektroden und/oder das Potential des Fokuskopfs gesenkt. Die anderen isoliert angeordneten Ablenkelektroden bleiben kurzzeitig auf vollem Potential, wobei ggf. zusätzlich noch die Ablenkspannung an diesen Ablenkelektroden anliegt.
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Da die Hochspannung nicht direkt an der Kathode erzeugt wird, dauert es eine gewisse Zeit, bis sich der Fokuskopf samt Ablenkelektroden auf das identische Potential anpasst. In der Zwischenzeit fällt nahezu die gesamte Spannung über den Isolationselementen der Ablenkelektroden ab. Hierbei kann es dort zu weiteren Entladungen kurz nach dem Arcing kommen, die zu einer beschleunigten Zerstörung der empfindlichen Isolationselemente der Ablenkelektroden führen kann. Aufgrund der energiereichen Entladung führt dies neben Entladungsspuren an den Isolationselementen auch zu Materialablösungen an den Isolationselementen, die sehr ungünstig für das Vakuum im Vakuumgehäuse und damit für den Betrieb der Röntgenröhre sind.
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Das vorstehend erläuterte Problem stellt sich nicht nur für die Kathode, sondern auch für alle weiteren, im Vakuumgehäuse der Röntgenröhre isoliert angeordneten Funktionsteile, wie beispielsweise Anode, Rückstreuelektronenfänger oder Ablenkeinrichtungen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Röntgenröhre zu schaffen, deren Funktionsteile über die gesamte Betriebsdauer zuverlässig vor Überspannungen geschützt sind.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Röntgenröhre gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Röntgenröhre sind jeweils Gegenstand von weiteren Ansprüchen.
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Die Röntgenröhre gemäß Anspruch 1 weist ein Vakuumgehäuse auf, in dem zumindest eine Kathode und eine Anode über jeweils ein Isolationselement isoliert angeordnet sind, wobei die Kathode beim Anlegen einer Hochspannung Elektronen emittiert, die als Elektronenstrahl auf der Anode auftreffen. Erfindungsgemäß umfasst die Röntgenröhre nach Anspruch 1 eine Spannungsableiter-Einrichtung mit einer Isolierstrecke, die eine Feldstärke aufweist, welche derart höher als die Feldstärke am Isolationselement ist, dass bei einem auftretenden Spannungsüberschlag eine Spannungsableitung über die Spannungsableiter-Einrichtung erfolgt.
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Dadurch, dass die Feldstärke der Isolierstrecke der Spannungsableiter-Einrichtung höher ist als die Feldstärke am Isolationselement ergibt sich eine höhere Durchschlagswahrscheinlichkeit an der Spannungsableiter-Einrichtung, so dass das betreffende Isolationselement damit zuverlässig vor einer Beschädigung geschützt ist.
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Durch die erfindungsgemäße Maßnahme werden die zerstörenden Entladungsmechanismen der im Vakuumgehäuse isoliert angeordneten Funktionsteile (z.B. Fokuskopf) zuverlässig verhindert. Durch die in der Röntgenröhre nach Anspruch 1 angeordnete Spannungsableiter-Einrichtung erhält man eine "elektrische Sollbruchstelle" zwischen den jeweiligen Funktionsteilen und den zugehörigen Isolationselementen. Bei großen Potentialunterschieden, die zu zerstörenden Entladungsmechanismen führen können, werden durch diese Sollbruchstelle, die immer schneller über- bzw. durchschlägt als die Isolationselemente, die elektrischen Belastungen von den Isolationselementen genommen.
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Damit erfüllt die erfindungsgemäße Röntgenröhre folgende Anforderungen:
- • Die Spannungsableiter-Einrichtung ist über den Betriebsbereich der Röntgenröhre (20°C bis 2.000°C bei 10–8 mbar bis 10–4 mbar) hochvakuumtauglich.
- • Im Normalbetrieb (Gittersperrbetrieb am Fokuskopf, Fokussierspannungen von z.B. ca. 6 kV) ist die Spannungsableiter-Einrichtung absolut kurzschlussfest.
- • Im Arcing-Fall ist die Spannungsableiter-Einrichtung hochspannungstechnisch "schwächer" als die Isolationselemente.
- • Die Spannungsableiter-Einrichtung "zündet" damit schneller als die Isolationselemente.
- • Dies führt zu nur geringen Abnutzungs- und Degradationserscheinungen bei den Isolationselementen.
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Die erfindungsgemäße Röntgenröhre benötigt somit für einen wirkungsvollen Schutz ihrer Funktionsteile keine Isolationselemente, die auf eine möglicherweise auftretende Überspannung ausgelegt sind und damit unter konstruktiven Gesichtspunkten zu groß und zu schwer ausgelegt werden müssen. Bei der Röntgenröhre nach Anspruch 1 erhöhen sich somit Volumen und Gewicht der Isolationselemente nur unwesentlich.
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Im Rahmen der Erfindung kann die Spannungsableiter-Einrichtung verschiedene, im Vakuumgehäuse der Röntgenröhre isoliert angeordnete Funktionsteile zuverlässig vor Überspannungen schützen.
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So ist gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 2 die Spannungsableiter-Einrichtung an einem Fokuskopf der Kathode angeordnet, wobei die Kathode wenigstens eine Ablenkelektrode aufweist. Durch diese Maßnahme sind die Isolationselemente der Kathode zuverlässig vor Schäden durch Überspannung geschützt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Röntgenröhre gemäß Anspruch 3 umfasst die Spannungsableiter-Einrichtung wenigstens eine erste Schutzelektrode und wenigstens eine zweite Schutzelektrode, die zueinander einen vorgegebenen Abstand aufweisen. Dieser Abstand definiert die Isolierstrecke der Spannungsableiter-Einrichtung.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung gemäß Anspruch 4 sind wenigstens eine erste Schutzelektrode am Fokuskopf und wenigstens eine zweite Schutzelektrode an wenigstens einer Ablenkelektrode angeordnet. Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel nach Anspruch 5 bildet der Fokuskopf wenigstens eine erste Schutzelektrode. Alternativ oder zusätzlich kann – wie in Anspruch 6 definiert – wenigstens eine Ablenkelektrode eine zweite Schutzelektrode bilden.
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Da bei den Ausgestaltungen gemäß den Ansprüchen 3 bis 6 im Zwischenraum zwischen der ersten Schutzelektrode und der zweiten Schutzelektrode jeweils nur das im Vakuumgehäuse herrschende Vakuum vorliegt, löscht sich ein bei einem Spannungsüberschlag bzw. bei einem Spannungsdurchschlag entstehender Lichtbogen selbstständig.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform gemäß Anspruch 11 ist die Spannungsableiter-Einrichtung zwischen Kathode und Vakuumgehäuse angeordnet.
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Gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung nach Anspruch 12 ist die Spannungsableiter-Einrichtung zwischen Anode und Vakuumgehäuse angeordnet.
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Weiterhin kann gemäß einer Ausführungsform nach Anspruch 13 die Spannungsableiter-Einrichtung zwischen Kathode und Anode angeordnet sein.
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Für die erste Schutzelektrode und für die zweite Schutzelektrode hat sich beispielsweise Molybdän als vakuumbeständiges metallisches Elektrodenmaterial als besonders geeignet erwiesen.
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Abhängig von den Betriebsbedingungen der Röntgenröhre und/oder der Art und der Anzahl der zu schützenden Funktionsteile sind für die Ausgestaltungen der ersten Schutzelektrode und der zweiten Schutzelektrode jeweils verschiedene Konturen (symmetrische oder unsymmetrische Anordnungen) vorteilhaft realisierbar.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform nach Anspruch 7 weist wenigstens eine erste Schutzelektrode eine kugelförmige Kontur auf.
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Alternativ oder zusätzlich kann gemäß einer Ausgestaltung nach Anspruch 8 wenigstens eine zweite Schutzelektrode eine kugelförmige Kontur aufweisen.
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Bei einem Ausführungsbeispiel nach Anspruch 9 weist wenigstens eine erste Schutzelektrode eine plattenförmige Kontur auf.
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Eine weitere Variante nach Anspruch 10 ist dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine zweite Schutzelektrode eine plattenförmige Kontur aufweist.
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Abhängig vom jeweiligen Anwendungsfall ermöglichen die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen eine Vielzahl von vorteilhaften Kombinationen hinsichtlich möglicher Elektrodenformen, so dass keine oder nur stark reduzierte Arcings auftreten, da die ersten und die zweiten Schutzelektroden keine Mikrospitzen aufweisen. Damit treten bei den Isolationselementen der Funktionsteile nur sehr geringe Abnutzungs- und Degradationserscheinungen auf.
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Alternativ zu den beschriebenen Konturen der beiden Schutzelektroden sind weitere Konturen für die Schutzelektroden möglich. Beispiele hierfür sind Borda- bzw. Rogowski-Profile.
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Die vorgenannten Elektrodenformen führen zu einem schwachen inhomogenen elektrischen Feld, wodurch im Normalbetrieb der Röntgenröhre unnötige Vorentladungen der Schutzelektrode vermieden werden.
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Nachfolgend wird ein schematisch dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Es zeigen:
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1 eine Röntgenröhre gemäß dem Stand der Technik,
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2 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Röntgenröhre,
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3 eine Spannungsableiter-Einrichtung im Bereich der Kathode,
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4 einen Feldstärkeverlauf in Abhängigkeit vom Abstand zwischen Ablenkelektrode und Schutzelektrode.
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In 1 ist ein Vakuumgehäuse 1 dargestellt, in dem eine Kathode 2 und eine Anode 3 über mehrere Isolationselemente isolierte angeordnet sind. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind nur zwei Isolationselemente 4 für die Kathode 2 dargestellt.
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Beim Anlegen einer Kathodenspannung UC (Hochspannung) emittiert die Kathode 2 auf bekannte Weise Elektronen, die als Elektronenstrahl 5 auf die Anode 3, an der eine Anodenspannung UA anliegt, auftreffen. Im Material der Anode 3 erzeugen die Elektronen des Elektronenstrahls 5 in einem Brennfleck Röntgenstrahlung 6. Die Röntgenstrahlung 6 tritt als Röntgennutzstrahlung aus einem Röntgenstrahlenaustrittsfenster 7 aus dem Vakuumgehäuse 1 aus.
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Die Kathode 2 umfasst einen Fokuskopf 8 an dem über die Isolationselemente 4 mehrere Ablenkelektroden 9 angeordnet sind. Von den Ablenkelektroden 9 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit ebenfalls nur zwei dargestellt. An den Ablenkelektroden liegt eine Ablenkspannung UD an. Durch die Beaufschlagung der Kathodenspannung UC mit einer Ablenkspannung ± UD kann der Elektronenstrahl 5 gezielt beeinflusst werden.
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Die in 2 dargestellte Röntgenröhre umfasst ebenfalls ein Vakuumgehäuse 1, in dem eine Kathode 2 und eine Anode 3 über jeweils wenigstens ein Isolationselement isoliert angeordnet sind, wobei wiederum nur zwei Isolationselemente 4 für die Kathode 2 dargestellt sind.
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Beim Anlegen einer Kathodenspannung UC (Hochspannung) emittiert die Kathode 2 auf bekannte Weise Elektronen, die als Elektronenstrahl 5 auf die Anode 3, an der eine Anodenspannung UA anliegt, auftreffen. Im Material der Anode 3 erzeugen die Elektronen des Elektronenstrahls 5 in einem Brennfleck Röntgenstrahlung 6. Die Röntgenstrahlung 6 tritt als Röntgennutzstrahlung aus einem Röntgenstrahlenaustrittsfenster 7 aus dem Vakuumgehäuse 1 aus.
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Die Kathode 2 umfasst einen Fokuskopf 8 an dem über die Isolationselemente 4 mehrere Ablenkelektroden 9 angeordnet sind. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind wiederum nur zwei Ablenkelektroden 9 dargestellt. An den Ablenkelektroden liegt eine Ablenkspannung UD an. Durch die Beaufschlagung der Kathodenspannung UC mit einer Ablenkspannung ± UD kann der Elektronenstrahl 5 gezielt beeinflusst werden.
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Im Fall von technisch unvermeidbaren Spannungsüberschlägen und Spannungsdurchschlägen (Toleranzbereich der Nennspannung wird überschritten) stellt sich ein Potentialabfall ein, von dem im beschriebenen Beispiel die Kathode 2 betroffen ist. Die transient, also zufällig und damit zeitlich nicht vorhersehbar, auftretenden Spannungsüberschläge bzw. Spannungsdurchschläge werden auch als "Arcing" bezeichnet.
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Zeitlich aufgelöst werden durch den vorgenannten Potentialabfall das Potential UD wenigstens einer der Ablenkelektroden 9 und/oder das Potential UK des Fokuskopfs 8 gesenkt. Die anderen isoliert angeordneten Ablenkelektroden 9 bleiben kurzzeitig auf vollem Potential UC, wobei ggf. zusätzlich noch die Ablenkspannung UD an diesen Ablenkelektroden 9 anliegt.
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Da die Hochspannung nicht direkt an der Kathode 2 erzeugt wird, dauert es eine gewisse Zeit, bis sich der Fokuskopf 8 samt Ablenkelektroden 9 auf das identische Potential anpasst. In der Zwischenzeit fällt nahezu die gesamte Spannung über den Isolationselementen 4 der Ablenkelektroden 9 ab. Hierbei kann es dort zu weiteren Entladungen kurz nach dem Arcing kommen, die zu einer beschleunigten Zerstörung der empfindlichen Isolationselemente 4 der Ablenkelektroden 9 führen kann. Aufgrund der energiereichen Entladung führt dies neben Entladungsspuren an den Isolationselementen 4 auch zu Materialablösungen an den Isolationselementen 4, die sehr ungünstig für das Vakuum im Vakuumgehäuse 1 und damit für den Betrieb der Röntgenröhre sind.
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Um bei der in 1 dargestellten Röntgenröhre gemäß dem Stand der Technik die Kathode 3 und insbesondere den Fokuskopf 8 über die gesamte Betriebsdauer zuverlässig vor Überspannungen zu schützen, ist erfindungsgemäß eine Spannungsableiter-Einrichtung mit einer Isolierstrecke vorgesehen. Die Isolierstrecke weist eine Feldstärke auf, welche derart höher ist als die Feldstärke am Isolationselement 4, dass bei einem auftretenden Spannungsüberschlag eine Spannungsableitung über die Spannungsableiter-Einrichtung erfolgt.
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In 2 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Röntgenröhre dargestellt, bei der im Vakuumgehäuse 1 eine Spannungsableiter-Einrichtung angeordnet ist.
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Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform umfasst die Spannungsableiter-Einrichtung wenigstens eine erste Schutzelektrode 10 und wenigstens eine Schutzelektrode 11, wobei die erste Schutzelektrode 10 zur zweiten Schutzelektrode 11 jeweils einen vorgegebenen Abstand s aufweist. Dieser Abstand definiert die Isolierstrecke der Spannungsableiter-Einrichtung. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind von den ersten und den zweiten Schutzelektroden 10 und 11 nur jeweils zwei dargestellt.
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Die Anzahl und die Form der Schutzelektroden 10, 11 kann in einfacher Weise auf die jeweiligen konstruktiven Gegebenheiten sowie auf den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden.
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Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die ersten Schutzelektroden 10 am Fokuskopf 8 und die zweiten Schutzelektroden 11 an den Ablenkelektroden 9 angeordnet. Die Isolationselemente 4 werden dadurch zuverlässig vor Überspannung und daraus resultierenden Folgeschäden (z.B. Materialablösungen, Degradation) geschützt.
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Bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst die Spannungsableiter-Einrichtung eine erste Schutzelektrode 10, die als Fingerelektrode ausgebildet und am Fokuskopf 8 angeordnet ist. Die zweite Schutzelektrode 10 ist von einer Ablenkelektrode 9 gebildet.
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Der Kopf der Fingerelektrode 10 (erste Schutzelektrode) weist einen Radius r ("Kopfradius") und einen Abstand s (auch als "Schlagweite" bezeichnet) zur Ablenkelektrode 9 auf. Durch die Wahl des Radius r und des Abstands s (Isolierstrecke der Spannungsableiter-Einrichtung) kann für den Normalbetrieb die Feldstärke auf einfache Weise eingestellt werden. Durch die "Kugel-Platte"-Anordnung erhält man ein schwach inhomogenes elektrisches Feld, bei dem Vorentladungen zuverlässig vermieden werden.
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Wie aus der in 3 dargestellten Ausgestaltung ersichtlich ist, kann durch geringe Eingriffe in die aktuelle Geometrie des Fokuskopfs 8 eine Spannungsableiter-Einrichtung in Form einer Vakuum-Isolierstrecke aufgebaut werden. Durch diese Maßnahme, nämlich die erste Schutzelektrode als Fingerelektrode 10 zwischen Fokuskopf 8 und Ablenkelektrode 9 auszuführen, können die isoliert aufgehängten Funktionsteile an Kathode 2 oder Anode 3 insbesondere vor transienten Potentialverschiebungen geschützt werden.
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Da Zuleitungen zum Fokuskopf 8 in der Regel durch Molybdän-Stäbe realisiert sind, können diese beispielsweise an einer Stelle in einem definierten Abstand zueinander angebracht werden, so dass die Molybdän-Stäbe die Funktion einer Funkenstrecke übernehmen können. Voraussetzung hierfür ist jedoch, dass eine ausreichende mechanische Stabilität und Degradationsbeständigkeit gegen elektrische Entladungen vorliegt.
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4 zeigt ein Diagramm eines Feldstärkeverlaufs in Abhängigkeit vom Radius r der ersten Schutzelektrode 10 für drei verschieden Abstände s zwischen Ablenkelektrode 9 und erster Schutzelektrode 10.
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Auf der Abszissenachse sind hierbei die auftretenden Feldstärken Emax aufgetragen, die auf die jeweilige ideale Homogenfeldstärke Ehom normiert sind (dimensionslose Größen).
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Auf der Ordinatenachse ist der Kopfradius r der ersten Schutzelektrode 10 in mm aufgetragen.
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Die auftretenden Feldstärken Emax sind hierbei auf die jeweilige ideale Homogenfeldstärke Ehom normiert (dimensionslose Größe). Die Homogenfeldstärke Ehom ist für den idealen Plattenkondensator definiert durch den jeweiligen Plattenabstand s ("Schlagweite"). Der Kopfradius r der ersten Schutzelektrode 10 bestimmt die jeweilige prozentuale Felderhöhung.
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Für die Auslegung der Spannungsableiter-Einrichtung ist es wichtig, dass die elektrischen Felder keine zu starke Inhomogenität aufweisen, sondern nur schwach inhomogen sind. Ein zu kleiner Kopfradius r der ersten Schutzelektrode 10 würde zu unerwünschten Kaltemissionen oder Vorentladungen im Normalbetrieb führen. Ein Überschlag an dieser Stelle erfolgt erst bei einer Überspannung am Fokuskopf 8 (z.B. Überschlag zwischen Anode 3 und Kathode 2).
